CH697163A5 - Verfahren zur Konditionierung von Bergwasser in einem Tunnelentwässerungssystem. - Google Patents

Description

  Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung von Bergwasser in einem Tunnelentwässerungssystem.

Stand der Technik

[0002] Bei den Hochbauwerken verfügen vor allem die grossen Bauten wie Hochhäuser, Einkaufszentren oder Wohnüberbauungen über nennenswerte Entwässerungssysteme. Bei Tiefbauwerken gehören Entwässerungssysteme zur Standardausrüstung und sind überall anzutreffen. Gerade bei öffentlichen Infrastrukturanlagen wie z.B.

   Bahnhöfen, Flughafenanlagen, Strassen, Tunnelbauten, Stollen für Wasserkraftanlagen, Kavernen für Wasserkraftanlagen, Staumauern, Talsperren, Wasserkraftbauten, Erddämmen, Stützmauern, Strassenbauten oder Hangentwässerungsanlagen wird viel Geld in den Bau funktionstüchtiger Entwässerungssysteme investiert.

[0003] Für die Bahn- und Strassentunnelbauten stellen die Entwässerungssysteme das zentrale Bauteil dar.

   Der Verlust oder das Fehlen eines funktionstüchtigen Entwässerungssystems hat bei Tunnelbauten in der Regel katastrophale Folgen, für den Betrieb der Anlage sowie für deren Dauerhaftigkeit.

Darstellung der Erfindung

[0004] Für die vorliegende Erfindung stellen diese Bauwerke den zentralen Anwendungsbereich dar.

[0005] Bei der Entwässerung von Tunnelbauwerken unterscheidet man das primäre und das sekundäre Entwässerungssystem.

[0006] Das primäre Entwässerungssystem umfasst die Elemente des Entwässerungssystems, die nach Fertigstellung des Bauwerks nicht mehr frei zugänglich sind, wie z.B. die anstehende Felsoberfläche mit ihren Klüften, Noppenbahnen bzw.

   -streifen, Drainagematten, Vliesen, Drainagebohrungen, Sickerpackungen um die Drainagerohre herum, Sickerschichten, Öffnungen der Drainagerohre (aussen) und dgl.

[0007] Das sekundäre Entwässerungssystem eines Bauwerks beinhaltet die nach der Fertigstellung des Bauwerks frei zugänglichen Elemente des Entwässerungssystems (EWS) wie z.B. die Drainagerohre (innen), Schächte, Schlammsammler, Wasserableitungen, Hauptentwässerungsleitungen und dgl.

[0008] Unter Bergwasser, das in einem Tunnelentwässerungssystem anfällt, soll, für die vorliegende Erfindung, die Summe aller möglichen Wasserzuflüsse, die in einem Tunnel vorkommen können, verstanden werden.

   Diese Zuflüsse können verschiedener Herkunft sein, wie beispielsweise Grund-, Sicker-, Karst- oder normale Bergwässer einzeln oder in Mischungen, wobei, gesamthaft betrachtet, die Bergwässer den grössten Anteil an den abzuführenden Wässern in Tunnels ausmachen. Im Folgenden steht deshalb der Begriff Bergwässer stellvertretend für alle möglichen Wassertypen.

[0009] Die in Tunnelbauwerken anfallenden Bergwässer weisen einen unterschiedlich hohen Gehalt an gelösten Wasserinhaltsstoffen auf. Diese vorwiegend anorganischen Wasserinhaltsstoffe verursachen oft harte Ablagerungen. Beim Eintritt dieser Grund- und Bergwässer in Entwässerungssysteme verändern sich die physikalischen Bedingungen derart, dass die ursprünglich gelösten Wasserinhaltsstoffe harte, fest haftende Ablagerungen bilden, welche in amorpher oder kristalliner Form vorliegen können.

   Die Ablagerungen bestehen zum weitaus grössten Teil aus Kalk (meist <95%), der aus dem Bergwasser ausgeschieden wird, in Kombination mit unbedeutenden Mengen anderer Ionen wie Silicium, Magnesium, Barium, Eisen und dergleichen. In seltenen Fällen kann es zur Ansammlung von Eisenocker kommen, dessen Konsistenz gelartig ist und ebenfalls zu Verstopfungen des Entwässerungssystems führen kann. Die Ablagerungen entstehen einerseits durch den Druckabfall des Bergwassers beim Zuströmen auf das Bauwerk und in das Entwässerungssystem und andererseits durch die pH-Werterhöhung des Bergwassers in Kontakt mit den heutigen Baustoffen wie Zementinjektionen, Beton und dergleichen.

   Daneben gibt es noch andere, untergeordnete Parameter, die die Ablagerungsbildung beeinflussen, wie die Temperatur oder die Mischung verschiedener Wässer.

[0010] Zur Verdeutlichung der generellen Problematik soll der Leser auf die Publikation von M.C. Wegmüller: "Einflüsse des Bergwassers auf Tiefbau/Tunnelbau", Stäubli AG, Zürich 2001, ISBN 3 7266 0052 3 zurückgreifen.

[0011] Unabhängig von ihrer Bildungsart verkleinern diese harten, fest haftenden Ablagerungen die Abflussquerschnitte der Entwässerungssysteme oder schliessen sie in Extremfällen ganz. In der Folge können die anfallenden Wassermengen nicht mehr frei abfliessen, und es bilden sich Rückstaus, die grosse Schäden verursachen können. Diese Ablagerungen reduzieren die Funktionstüchtigkeit des Entwässerungssystems.

   In Teilen des primären Entwässerungssystems reduzieren oder zerstören die Ablagerungen die Funktionsfähigkeit der Entwässerung. Da der primäre Teil des Entwässerungssystems nicht frei zugänglich ist, müssen die Ablagerungen, die dort auftreten, mit aufwendigen und kostenintensiven Sanierungsarbeiten entfernt werden, um die Funktionstüchtigkeit des Entwässerungssystems gewährleisten zu können.

   Im sekundären Teil des Entwässerungssystems sind regelmässige, kostenintensive Unterhaltsarbeiten zur Entfernung der Kalkablagerungen in Intervallen von 6 Monaten bis 2 Jahren die Regel.

[0012] Die Schäden, die durch die Ablagerungsbildung in Bauwerksentwässerungssystemen entstehen können, reichen von unerwünschten Wasserinfiltrationen ins Bauwerksinnere zu hohen Wasserdrücken auf die Bauwerksschale, Eisbildung auf Fahrbahnen, Vernässungen im Gewölbe, verbunden mit der Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen bei Bahntunneln und dergleichen. Zudem verringert der direkte Wasserkontakt generell die Dauerhaftigkeit der Bauwerke.

   Speziell bei jenen Bauwerken, deren Stabilität von der einwandfreien Funktionstüchtigkeit des Entwässerungssystems abhängig sind, können Ablagerungen fatale Folgen haben.

[0013] Die zurzeit gebräuchlichsten Verfahren zum Entfernen dieser Ablagerungen sind: die elektromechanische Reinigung mit Spezialwerkzeugen wie beispielsweise Kanalfernsehen verbunden mit Robotik, sowie Hochdruckspülen oder Hochdruckfräsen mit Wasser. Diese Verfahren sind kostspielig, arbeitsintensiv und führen oft zu unerwünschten Betriebsunterbrüchen.

   Sind diese Arbeiten, aus bautechnischen Gründen, nicht möglich oder erzielen nicht das gewünschte Resultat, so kann die Funktionstüchtigkeit meist nur mit enorm aufwendigen Sanierungsarbeiten wiederhergestellt werden.

[0014] Die objektive Aufgabenstellung für die vorliegende Erfindung kann deshalb wie folgt beschrieben werden: Gesucht wird eine Möglichkeit zum Schutz des primären und/oder des sekundären Entwässerungssystems vor der Bildung von harten Ablagerungen. Der Schutz soll dauerhaft, d.h. während der gesamten Lebensdauer des Bauwerks, möglich sein. Der Schutz soll partiell einsetzbar sein, d.h. Zonen ohne Ablagerungen sollen, aus Kostengründen und ökologischen Gründen, vom Schutzumfang ausgenommen werden können.

   Der Schutz soll, aus Kostengründen und ökologischen Gründen, zeitlich begrenzt möglich sein, das heisst, sowohl der Anfang wie auch das Ende der Schutzmassnahmen müssen frei wählbar sein. Die Schutzmöglichkeiten müssen entsprechend den stetig steigenden Unterhaltsanforderungen, wie beispielsweise bei den Neat-Bauwerken, kostengünstig, unterhaltsfreundlich, umweltverträglich, sehr robust und in kürzester Zeit möglich sein. Gerade der Zeitfaktor ist für solch teure Bauwerke der limitierende Faktor, denn ein Tag Betriebsunterbruch des Gotthard-Basistunnels vernichtet Investitionsgelder von 1 Million Schweizer Franken.

   Ein konventioneller Unterhalt des Entwässerungssystems kommt deshalb, für solche Bauwerke, schon deshalb nicht in Frage.

[0015] Die Einsatzmöglichkeiten für ein solches Verfahren wären universell, gibt es doch auf der ganzen Welt Probleme mit Ablagerungen in Tunnelentwässerungssystemen. Die Kosten für die Sanierung der betroffenen Bauwerke übersteigt fast immer eine Million Euro und kann bis zu über 100 Millionen Euro erreichen, wie beispielsweise beim Burnley Tunnel in Melbourne, Australien (Eröffnung 2000;

   Sanierung 2000-2006).

[0016] In den vergangenen Jahren wurde eine Reihe von Verfahren und Produkten entwickelt, um die Bildung von Ablagerungen in Tunnelentwässerungssystemen zu reduzieren oder ganz zu verhindern.

[0017] Aus der WO-A-94/19 288 ist ein Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in einem Bauwerksentwässerungssystem bekannt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass dem abzuführenden Sicker- oder Grundwasser ein Konditionierungsmittel in flüssiger Form zugegeben wird, wobei das Konditionierungsmittel ein Stabilisierungsmittel für Härtebildner und ein Dispergiermittel enthält. Die Anwendung des Verfahrens beschränkt sich dabei auf das sekundäre Entwässerungssystem. Lösungen für das primäre Entwässerungssystem fehlen hier gänzlich.

   Bei der Behandlung von Bergwässern mit unbeeinflusstem pH-Wert wurden mit diesem Verfahren, in der Regel, gute Resultate erzielt. Steigt aber der pH-Wert des Bergwassers gesamthaft über 9 an, oder mischen sich stark alkalische Zuflüsse, mit pH-Werten über 10, zum abzuführenden Bergwasser, so verlieren die herkömmlichen Härtestabilisatoren und Dispergatoren ihre Wirkung. In vielen Schweizer Tunnelbauwerken gelingt es daher nicht, trotz dem Einsatz der flüssigen Härtestabilisation die Bildung neuer harter Ablagerungen ganz zu verhindern.

   Besondere Probleme dieser Art zeigen sich z.B. im SBB Adlertunnel, der Umfahrung Flüelen, im Bareggtunnel der A1 und vielen anderen Tunnelbauwerken.

[0018] In den Schriften CH 689 452 A5 sowie WO 02/16 731 A2 werden u.a. so genannte Depotsteine (Steine) beschrieben, die dazu geeignet sind, Ablagerungen auch im primären Teil des Entwässerungssystems eines Tunnels zu verhindern. Diese Steine enthalten ein oder mehrere Konditionierungsmittel in fester Form und werden durch geeignete Verfahren zu Tabletten, Blöcken oder Stangen geformt und danach in das Entwässerungssystem gelegt. Bei Kontakt des Grund- oder Bergwassers mit den Steinen lösen sich diese langsam auf, geben den Wirkstoff frei und schützen dadurch alle nachfolgenden Teile des Entwässerungssystems vor der Bildung von harten Ablagerungen.

   Diese Depotsteine werden oft während der Bauphase des Bauwerks zum Schutz des primären Entwässerungssystems verwendet. In dieser Zeit können regelmässige Unterhaltsarbeiten nicht oder nur mühsam durchgeführt werden, weshalb sich die Bauherren und Planer oft dazu entschliessen, die Steine in die Sickerpackungen der Drainageleitungen einzubauen und dadurch die besonders intensiven Ablagerungen während der Bauzeit, als Folge der pH-Wertverschiebung, abzufangen. Einige Beispiele ausgeführter Bauwerke sind beide Tunnel von AlpTransit, Bareggtunnel A1, Umfahrung Klosters, Umfahrung Flims und viele mehr. Da die Steine aus den gleichen Wirksubstanzen bestehen, die für die flüssige Härtestabilisation benutzt werden, verlieren auch sie einen Teil ihrer Wirkung bei hohen pH-Werten.

   Zudem können die Steine nicht nachgelegt werden, wenn sie aufgebraucht sind.

[0019] Seit ein paar Jahren wird nun ein neues System, das sogenannte Rückführungssystem, angeboten, das es ermöglicht, einen Teil des konditionierten Bergwassers aus dem sekundären Entwässerungssystem in das primäre Entwässerungssystem zurückzuführen. Beim Rückführungssystem wird das Bergwasser des sekundären Entwässerungssystems partiell oder gesamthaft konditioniert. Dieses bereits konditionierte Bergwasser entnimmt man nun mit einer Pumpe aus einem Schacht und führt es mit einer Schlauchleitung in das primäre Entwässerungssystem zurück. Damit dies überhaupt möglich ist, müssen die Schlauchleitungen während der Bauzeit des Tunnels in die Sickerpackungen der Drainagerohre verlegt werden.

   Das konditionierte Bergwasser aus dem sekundären Teil des Entwässerungssystems gelangt nun, über kleine Öffnungen in den Schlauchleitungen, in den primären Teil des Entwässerungssystems. Nun vermischt sich das bereits konditionierte Bergwasser mit dem neuen, frischen, ablagernden Bergwasser des primären Entwässerungssystems und verhindert so die frühe Ablagerungsbildung. Dadurch erreicht man beispielsweise, dass die Ablagerungsbildung noch früher, das heisst ausserhalb der Drainagerohre, bereits in den Sickerpackungen, verhindert wird. Die Kombination von Depotsteinen während der Bauzeit und diesem Rückführungssystem, ab der Inbetriebnahme des Bauwerks, hat sich als attraktiv für Bauherren und Planer erwiesen.

   Die genaue Wirkungsweise und die Ausführungsdetails des Systems können der Schweizer Patentanmeldung 58/04 entnommen werden.

[0020] Diese drei oben genannten Verfahren, die Konditionierung des sekundären EWS mit flüssigen Wirkstoffen, der Einsatz von Depotsteinen und das Rückführungssystem haben eines gemeinsam. Nach nun fast 15 Jahren Praxiseinsatz verwenden all diese Verfahren in der Regel fast die gleichen Wirkstoffe. In der Praxis bewährt haben sich nicht die Komplexbildner wie EDTA, NTA und dgl., sondern Substanzen mit dem grössten Thresholdeffekt gegenüber Calciumcarbonat, wie beispielsweise Polyasparaginsäure, die eine sehr hohe Umweltverträglichkeit und gleichzeitig eine gute Wirtschaftlichkeit aufweist.

   In der Schweiz stehen zurzeit im Einsatz die Polycarbonsäuren, Polyasparaginsäure und Polysuccinimid als Vorprodukt der Polyasparaginsäure.

[0021] Bisher ging man davon aus, dass diese Substanzen eine hohe Wirksamkeit im unterstöchiometrischen Bereich haben und deshalb in sehr geringen Mengen zudosiert werden müssen. In der WO 94/19288 ist ein Vergleichsversuch aufgeführt, wonach die Zugabe von 6-8 g Polycarbonsäure (Nalco 77320 vormals Nalco 7311 Plus) zu 1 m<3 >Bergwasser die Ausfällung von 2  dH Kalk verhindern konnte. Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen waren damals richtig, aber vielleicht etwas optimistisch, hat es sich doch in den vergangenen Jahren gezeigt, dass die Dosierung der Wirkstoffe, insbesondere bei Bauwerken mit pH-Werterhöhung des Bergwassers, meist deutlich höher zu liegen kommt.

   Zudem stellt man fest, dass als Folge der Einführung der neuen europäischen Normvorschriften auch in der Schweiz die Beeinflussung des pH-Wertes der Bergwässer stark zugenommen hat. In den vergangenen 5-8 Jahren hat die Zahl der Neubautunnel mit starken, zementbedingten Ablagerungen deutlich zugenommen. Wir haben die Vermutung, dass die, neuerdings erlaubte, Zumischung von freiem Kalk zum Zement dafür verantwortlich ist. Ein weiterer schwerwiegender Nachteil der verwendeten Substanzen ist ihre Eigenschaft, sich an die im Bergwasser gelösten Feinpartikel anzulagern. Diese Feinpartikel stammen aus dem umliegenden Gestein und werden zusammen mit dem Bergwasser aus dem Bauwerk geschwemmt. Durch die Anlagerung der Härtestabilisatoren an diese Partikel geht leider oft viel Wirksubstanz ungenutzt verloren.

   Zudem haben die industriell gefertigten Härtestabilisatoren doch die Eigenschaft, relativ lange wirksam zu bleiben, was demzufolge auf Kosten der biologischen Abbaubarkeit geht. Grundsätzlich bietet die vielerorts eingesetzte Polyasparaginsäure die besten ökologischen Eigenschaften, aber auch sie weist einen hohen Anteil an Stickstoff auf, der eigentlich unerwünscht ist.

[0022] Nun wurde völlig überraschend entdeckt, dass als Konditionierungsmittel eine Wirksubstanz mit völlig anderen Eigenschaften sich hervorragend zum Schutz der Entwässerungssysteme vor der Bildung von Ablagerungen eignet. Es handelt sich dabei um die Milchsäure oder auch 2-Hydroxypropansäure (nach IUPAC), die in 2 Formen, als L(+)-Milchsäure und als D(-)-Milchsäure, vorkommt.

   Für die Anwendung in Bauwerksentwässerungssystemen eignet sich insbesondere die L(+)-Form.

[0023] Milchsäure ist ein organischer Stoff aus der Natur, der bei der Haltbarmachung von Lebensmitteln (z.B. Milchprodukte und Gemüse), seit geraumer Zeit Einsatz findet. Milchsäure wird vorwiegend fermentativ hergestellt, das heisst, es entsteht als Produkt bei bestimmten Bakterienkulturen. Je nach Art der Umsetzung von Glucose (homo- bzw. heterofermentativ) entsteht Milchsäure mit und ohne begleitende andere Gärprodukte. Es handelt sich um eine klare, sirupartige, geruchlose und angenehm sauer schmeckende Flüssigkeit, die in Wasser gut löslich ist. Die rechtsdrehende L(+)-Milchsäure kommt im Blut, in der Muskulatur und in den Organen der Tiere und Menschen vor.

   Als Ausgangsstoff für die Fermentation kann prinzipiell jede kostengünstige Zuckerart als Kohlenwasserstoffquelle eingesetzt werden. Die Wahl dieser Quelle hängt nur vom verwendeten Bakterienstamm ab. Vorzugsweise werden Zucker, die aus landwirtschaftlichen Nebenprodukten oder "Abfällen" der Lebensmittelindustrie stammen, wie Glukose, Maltose, Dextrose aus Getreide oder Kartoffelstärke, Saccharose aus Zuckerrohr oder -rüben, Laktose aus Molke eingesetzt.

[0024] Um die Wirksamkeit der Milchsäure als Konditionierungsmittel gegenüber den bisher verwendeten Wirkstoffen zu testen, wurden einige Experimente durchgeführt. Als erstes Experiment wurde mineralisiertes Bergwasser eingedampft:

[0025] In einem Erlenmeier wurde 1l stark mineralisiertes Bergwasser (Typ: Valserwasser ohne Kohlensäure) mit 20 ppm Polyasparaginsäure versetzt (42%-Lösung) und eingedampft.

   Das Resultat war eine milchige Lösung (1 dl) mit wenig harten Kalkablagerungen an den Glaswänden. Danach wurde die gleiche Menge Valserwasser mit 20 ppm Milchsäure (92%, als Lösung) versetzt und bis auf 1 dl eingedampft. Das Resultat war eine klare Flüssigkeit mit gleich viel Kalkablagerungen an den Glaswänden, wie bei der Polyasparaginsäure, die sich aber etwas leichter entfernen liessen. Ohne die Zugabe eines Wirkstoffs setzte sich sehr viel mehr Kalk an, der nur sehr schwer zu entfernen war. Die Milchsäure war bei diesem Experiment der Polyasparaginsäure überlegen.

   Beide Substanzen wurden in der handelsüblichen Form zugesetzt.

[0026] Als zweites Experiment wurde der pH-Wert von mineralisiertem Bergwasser nach oben verschoben, bis es zur Ausfällung von Kalkkristallen kam.

[0027] In einem Erlenmeier wurde wiederum 1l Valserwasser mit 20 ppm Polyasparaginsäure (42%-Lösung) versetzt. Danach wurde 1 normale Natriumhydroxidlösung tropfenweise zugesetzt. Nach der Zugabe von 10 Tropfen wurde das Mineralwasser trübe, ohne dass die Kristalle zu erkennen waren. Nach 15 Tropfen wurden die Kristalle sichtbar und liessen sich auch durch langes Rühren nicht wieder auflösen. Das gleiche Experiment mit 20 ppm Milchsäure (100%) ergab, dass selbst die Zugabe von 15 Tropfen Natriumhydroxidlösung nur eine leichte Trübung, aber noch keine sichtbaren Kristalle verursachte.

   Ohne Wirkstoff wurde das Mineralwasser durch die Zugabe von 10 Tropfen Natriumhydroxidlösung milchig und es bildeten sich grosse flächige Kalkkristalle. Bei diesem Experiment war die Milchsäure der Polyasparaginsäure weit überlegen, und es lässt sich daraus schliessen, dass sich in der Praxis, bei ähnlich gelagerten Fällen (pH-Werterhöhung durch die Baustoffe), durch die Zugabe gleicher Mengen von Milchsäure (in der handelsüblichen Form, als 92%-Lösung) anstelle von Polyasparaginsäure (in der handelsüblichen Form 42%-Lösung) zum Bergwasser, in Zukunft nur noch wenig oder gar kein Kalkschlamm mehr im Entwässerungssystem ablagern sollte.

[0028] Das dritte Experiment wurde in der Praxis im Adlertunnel der SBB durchgeführt. Im Adlertunnel steht seit rund 10 Jahren eine Härtestabilisationsanlage im Betrieb.

   Die Anlage dosiert dort mittels Pumpe Polyasparaginsäure (42%-Lösung) zum Bergwasser im Bereich des Tunnelsüdportals. Das Bergwasser fliesst kontinuierlich, von der höchsten Stelle des Tunnels (Südportal), nach Norden und verlässt den Tunnel nach rund 5 km beim Nordportal des Tagbautunnels. Die Dosierstelle wurde so gewählt, dass sie unter Ausnutzung des Wasserflusses, möglichst am Anfang, d.h. an der höchsten Stelle des Entwässerungssystems, steht, aber auch in Trockenzeiten immer noch ein konstanter Wasserfluss gewährleistet bleibt. Die Dosierstelle befindet sich deshalb rund 200 Metern nördlich des Südportals.

   Nach weiteren 100 Metern, das heisst 300 Meter nördlich des Südportals, fliesst sehr stark alkalisches Bergwasser aus dem Umgebungsgestein (Jettingzone) zum Bergwasser der Hauptentwässerung (Rigole) und verursacht dort, als Folge der pH-Werterhöhung, sehr starke Kalkablagerungen in der Rigole, die erst nach weiteren rund 300 Metern abklingen (d.h. bis 600 Meter nördlich des Südportals). Bisher wurde eine Menge von 100 Liter Polyasparaginsäure (42% Wirkstoffanteil) pro Monat zum Bergwasser zudosiert. Dadurch konnte die Ablagerungsbildung in diesem Bereich zum grössten Teil verhindert werden. Dennoch mussten in diesem Abschnitt, in einem Intervall von 2 Jahren, der neugebildete Kalkschlamm und der neue harte Kalk regelmässig entfernt und abtransportiert werden.

   Die Kosten für eine solche Reinigung belaufen sich jedes Mal auf rund CHF 30 000-40 000.-.

[0029] Nun wurde anstelle von Polyasparaginsäure Milchsäure (92%-Lösung) in einer Menge von 100 Liter pro Monat zudosiert. Um das Resultat besser beurteilen zu können, wurden gleichzeitig, mit dem Beginn der Milchsäurezugabe, 5 Versuchssteine in der Rigole ausgelegt. Das Resultat war eindrücklich.

[0030] Bereits nach 7 Tagen konnte beobachtet werden, dass im Bereich der Dosierstelle die alten harten Kalkablagerungen verschwunden waren. Im weiteren Verlauf der Rigole konnte beobachtet werden, dass sich die zugesetzte Milchsäure deutlich in die bereits bestehenden Kalkablagerungen eingegraben hat.

   Von den 5 Kontrollsteinen die in der Rigole als Köder ausgelegt wurden, zeigt nur der nördlichste Stein leichte Spuren von weisem Kalk.

[0031] Nach 14 Tagen war die Auflösung der jungen weichen Kalkschichten bereits abgeschlossen und der alte harte Kalk der sich trotz regelmässiger Reinigung nicht entfernen liess, kam zum Vorschein. Nun war auch der letzte Versuchsstein frei von Ablagerungen. Dies bedeutet, dass die Milchsäure den leichtlöslichen Kalk im Bereich der Dosierstelle vollständig abgetragen hat und nun genügend Milchsäure auch beim letzten Versuchsstein zur Verfügung steht. Die Milchsäure bahnt sich sozusagen den Weg durch die alten Ablagerungen.

[0032] Dies bedeutet einen ganz unglaublichen Fortschritt gegenüber der bisherigen Lösung. Die Länge des Versinterungsbereichs konnte von 300 Meter auf 0 Meter reduziert werden.

   Die bisherige Breite der jährlichen Ablagerungen betrug an der schlimmsten Stelle rund 30 cm, bei einer Stärke von 10 cm.

[0033] Im nachfolgenden Teil des Tunnels konnten keine weiteren nennenswerten, neugebildeten Ablagerungen angetroffen werden. Die Anzahl, Art und Ausmass der in der Rigole vorhandenen Bakterien, die sich von den zudosierten Produkten ernähren, kann sich durch den Einsatz der Milchsäure eventuell leicht vergrössern. Während wir beim Einsatz der Polyasparaginsäure eher rote bis braune Bakterienfäden angetroffen haben, wechselt die Population nun, durch den Einsatz der Milchsäure, ihre Farbe zu weiss bis gelblich. Aus den Fäden wurden nun kleine weiche Klumpen. Der Bereich, in dem diese Bakterien anzutreffen sind, ist eher grösser geworden und erstreckt sich nun auf rund 200 Metern Länge.

   Danach, das heisst mit zunehmender Verdünnung des Bergwassers, verschwinden auch die Bakterien wieder. Der Anteil der Wirksubstanz, der durch die Bakterien abgebaut und so der eigentlichen Bestimmung entzogen wird, beläuft sich auf unter 5%. Dies wurde in einer Vielzahl von Experimenten in den vergangenen Jahren mehrfach bestätigt. Die bestimmenden Faktoren für die Abbaurate einer Substanz durch Bakterien sind: die Konzentration der Substanz im Wasser, Aufenthaltszeit der Substanz im Wirkungsbereich der Bakterien und die Anzahl der Bakterien, die sich am Abbau beteiligen. In den meisten Fällen beträgt die Aufenthaltszeit der Substanz, im Wirkungsbereich der Bakterien, in einem Tunnel, nur wenige Minuten, sodass dieser Faktor das Ausmass des Abbaus bestimmt.

   In fast allen Fällen verschwinden die Bakterien im Bergwasser, wenn die Konzentrationen der Substanzen unter rund 25-100 ppm sinken. Die Bakterien können nur eine bestimmte Schichtdicke erreichen, sonst sterben die in der Mitte liegenden Bakterien ab und zudem verschwinden, bei einer Veränderung des Wasserflusses in der Riogle, alle Bakterien, die in trockene Zonen zu liegen kommen.

[0034] Die Lösung der Aufgabe und damit Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Konditionierung von Bergwässern in einem Tunnelentwässerungssystem mit einem Konditionierungsmittel, welches dadurch gekennzeichnet ist,

   dass das Konditionierungsmittel einen wirksamen Gehalt an Milchsäure enthält.

[0035] Durch die Zugabe eines Konditionierungsmittels auf Basis von Milchsäure zu dem zu behandelnden Bergwasser im Tunnelentwässerungssystem kann das Aufwachsen der Kristallkeime wirkungsvoll verhindert werden. Gleichzeitig wird die Bildung von harten Ablagerungen unmöglich. Daneben sind diese Konditionierungsmittel in der Lage, bereits bestehende Ablagerungen aufzulösen.

[0036] Die Milchsäure kann dabei einzeln oder aber in Mischung mit anderen Konditionierungsmitteln zur Anwendung kommen.

[0037] Konditionierungsmittel für wässrige Systeme werden auf Grund ihrer Wirkungsweise verschieden bezeichnet, z.B. als Dispergiermittel, Härtestabilisatoren und Schutzkolloide.

   Dazu gehören auch Sequestierungsmittel (Komplexierungsmittel) und gegebenenfalls auch weitere grenzflächenaktive Stoffe (Tenside) sowie Biozide. Wichtig sind insbesondere Härtestabilisatoren, d.h. Verbindungen, die zur Stabilisierung der Härtebildner in Entwässerungssystemen geeignet sind, wobei sie das Kristallwachstum desaktivieren und zumeist Oberflächenladung verändernde Eigenschaften aufweisen, sowie Dispergatoren (Dispergiermittel).

   Dispergiermittel sind Oberflächenladung verändernde Verbindungen, die ungelöste Feststoffteilchen im Wasser - auch im kolloidalen Bereich - dispergieren, d.h. fein verteilt halten.

[0038] Erfindungsgemässe Konditionierungsmittel auf Basis von Milchsäure werden dem Bergwasser in Abhängigkeit von der jeweiligen Zusammensetzung des Bergwassers zugegeben.

[0039] Härtestabilisatoren und Dispergatoren überschneiden sich oft in ihrer Wirkung. Daher werden Konditionierungsmittel, bevorzugt auch Kombinationen mit Härtestabilisatoren oder Dispergatoren eingesetzt, wobei sich in der Regel ein höherer Wirkungsgrad gegenüber dem getrennten Einsatz ergibt.

   Konditionierungsmittel können auch noch weitere geeignete Zusätze enthalten, wobei aber immer für die Behandlung des abzuführenden Sicker- oder Grundwassers entscheidend sein muss, dass durch den Einsatz eines spezifischen Konditionierungsmittels bzw. Konditionierungsmittelgemisches eine umweltgerechte Verhinderung der Versinterungen erreicht wird.

[0040] Gegebenenfalls können neben Milchsäure im Konditionierungsmittel weitere Härtestabilisatoren im erfindungsgemässen Verfahren eingesetzt werden.

   Als zusätzliche Härtestabilisatoren können Verbindungen der Reihe anorganische kondensierte Phosphate, wie Alkali-di-, tri- und -polyphosphate, organische Phosphorverbindungen oder Organophosphonsäuren, wie beispielsweise 2-Methyl-propanphosphonsäure, Hydroxyethylidendiphosphonsäure, Aminomethylenphosphonsäuren, N-haltige Phosphonate, Aminophosphonate, Aminoalkylenphosphonsäuren wie Aminotri(methylenphosphonsäure) oder Diethylentriamino-penta(methylenphosphonsäure), Poly(aminomethylen-phosphonate), oder Hydroxyethylethylen(di(aminomethylen)-phosphonsäure), ferner Phosphonocarbonsäuren, z.B.

   Phosphonobutan-tricarbonsäure, Phosphatester, Polyphosphorsäureester, Aminophosphate, Bernsteinsäureamid, Kohlenhydrate, Polysaccharide, Glukonate, Polyglycoside, Polyglucoside und deren Derivate, Polyoxycarbonsäuren sowie deren Copolymere, oxidierte Kohlenhydrate, wie oxidierte Zellulose, Stärke oder Dextrin, Proteine und andere Eiweissprodukte, wasserlösliche Polyaminosäuren, beispielsweise Polyasparaginsäure, Silikate, wie Alkalisilikate, Wasserglas oder Zeolithe eingesetzt werden.

   Auch die wasserlöslichen Salze der aufgeführten Säuren sind geeignet, bevorzugt die Natriumsalze.

[0041] Als Dispergatoren für das erfindungsgemässe Verfahren auf Basis der Milchsäure zur Konditionierung von Bergwasser in Tunnelenwässerungssystemen sind unter anderem geeignet: Tanninderivate, wie sulfitierte Tannine, Ligninsulfonate, sulfonierte Kondensationsprodukte des Naphthalins mit Formaldehyd, anionische Polyelektrolyte, z.B. Polymerisate auf Acrylatbasis, wie Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyacrylamide und Copolymere von Acrylsäure bzw.

   Methacrylsäure und Acrylamid, ferner P-haltige polymere Verbindungen, wie N-Phosphomethyl-makrocyclische Polyether oder phosphonomethylierte Oxyalkylenamine sowie Phosphinsäure-haltige Homo- und Copolymere von Acrylsäure und Acrylamid und oligomere Phosphinico-Bernsteinsäure-Verbindungen (wie sie in der US-A 4 088 678 beschrieben werden). Weiter sind geeignet Polymere mit N-substituierten Amidfunktionen, z.B. sulfomethylierte oder sulfoethylierte Polyacrylamide und Polymethacrylamide und Copolymere bzw. Terpolymere mit Acrylsäure und Maleinsäureester, N-Butylacrylamid und dessen Copolymere und Acrylamidopropionsulfonsäure als Salz und deren Copolymere, ferner phosphinoalkylierte Acrylamidpolymere und Copolymere mit Acrylsäure, Copolymere von Alkenen mit ungesättigten Dicarbonsäuren, und Polymere und Copolymere auf der Basis von Maleinsäure.

   Wasserlösliche Salze entsprechender Säuren sind ebenfalls geeignet.

[0042] Weiterhin können dem erfindungsgemässen Verfahren auf Basis der Milchsäure zur Konditionierung von Bergwasser in Tunnelentwässerungssystemen Sequestrierungsmittel zugegeben werden.

[0043] Als Komplexierungsmittel im Sinne der vorliegenden Erfindung eignen sich unter anderem Iminodisuccinat (IDS), Nitrilotriessigsäure, Zitronensäure, Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), Ethercarboxylate oder oxidierte Kohlenhydrate, beispielsweise partiell hydrolysierte und oxidierte Stärke oder Dextrin.

   Weiterhin sind phosphorhaltige Komplexbildner wie z.B. kondensierte Phosphate und Phosphonate geeignet, sofern diese nicht bereits in ihrer Funktion als Härtestabilisatoren eingesetzt werden.

[0044] Wie bereits oben beschrieben, können dem erfindungsgemässen Verfahren auf Basis von Milchsäure zur Konditionierung von Bergwasser in Tunnelentwässerungssystemen zur Eindämmung des Wachstums von Mikroorganismen Biozide hinzugefügt werden. Prinzipiell sind dafür alle gemäss den nationalen Vorschriften zur Reinhaltung von Gewässern anzuwendenden Biozide geeignet.

   Als bevorzugte Biozide im Sinne der vorliegenden Erfindung werden Phthalimidoperoxohexansäure, Dibenzoperoxid, Chlorbromdimethylhydantoin oder weitere organische Peroxide eingesetzt.

[0045] Die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf Basis der Milchsäure zur Konditionierung von Bergwasser in Tunnelentwässerungssystemen kann in üblicher Form wie beispielsweise mittels flüssiger Zugabe über eine Dosieranlage und Dosierleitung oder mit Depotsteinen oder mit Hilfe des Rückführungssystems erfolgen.

[0046] An erster Stelle steht dabei natürlich die Zugabe der Milchsäure-basierten Konditionierungsmittel in flüssiger Form mittels Dosieranlage und Dosierleitung zum Bergwasser des Tunnelentwässerungssystems. Die Einsatzkonzentrationen bewegen sich dabei von 0,5 bis 50 000 ppm.

   Die hohen Konzentrationsschwankungen ergeben sich aus dem Umstand, dass in der Regel nur eine Dosieranlage pro Bauwerk eingesetzt wird und deshalb bei der Dosierstelle so viel Wirkstoff zugegeben werden muss, dass beim Tunnelportal noch eine ausreichende Wirkung erzielt wird. Ein vernünftiger Wirkungsbereich der auf Milchsäure basierten Konditionierungsmittel dürfte, am Ende des Entwässerungssystem beim Tunnelportal, im Bereich zwischen 1 und 100 ppm liegen. Dabei wird das natürliche Gefälle des Tunnels ausgenutzt.

[0047] Als Konditionierungsmittel kann dabei bevorzugtermassen eine Mischung von Milchsäure und Polyasparaginsäure eingesetzt werden, da dort eine synergistische Wirkung beobachtet wird.

   Dies bevorzugtermassen als Mischung von 1-10, bevorzugt 3-1, Volumen-Anteilen einer im Wesentlichen 80-95%igen wässrigen Lösung von Milchsäure und 10-1, bevorzugt 3-1, Volumen-Anteilen einer im Wesentlichen 30-50%igen wässrigen Lösung von Polyasparaginsäure. Bevorzugtermassen wird ausschliesslich L(+)Milchsäure verwendet.

[0048] An zweiter Stelle steht die Zugabe des auf Milchsäure basierten Konditionierungsmittels mittels Depotsteinen. Das Verpressen der bevorzugt trocken kristallinen oder amorphen Milchsäure in sogenannte Depotsteine oder Tabletten erfolgt gegebenenfalls mittels diverser Hilfsstoffe. Besonders geeignet als Hilfsstoffe im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Fettsäuren, insbesondere Stearinsäure, Palmitinsäure oder Laurinsäure.

   Einen grossen Vorteil bildet dabei der relativ hohe Schmelzpunkt der Milchsäure und die Tatsache, dass die Milchsäure bei Normaltemperatur als reines Pulver vorkommt. Besonders geeignet sind Depotsteine, die neben einem wirksamen Anteil an Milchsäure einen wirksamen Anteil an Polysuccinimid enthalten.

[0049] Die Erfindung betrifft also auch einen Depotstein zur Einbringung eines Konditionierungsmittels in das primäre (und/oder ggf. sekundäre, dies aber untergeordnet) Bauwerksentwässerungssystem in fester Form, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass das Konditionierungsmittel einen wirksamen Gehalt an fester (kristallin/amorph) Milchsäure enthält.

   Die Milchsäure kann als L(+)Milchsäure, bevorzugt entweder im Wesentlichen allein oder in Mischung mit Polyasparaginsäure, vorliegen.

[0050] Insbesondere beim Einsatz des Rückführungssystems, aber auch den beiden anderen Einsatzmöglichkeiten, bietet die Milchsäure, gegenüber den bisher eingesetzten Konditionierungsmitteln, den grossen Vorteil, dass sie zudem in der Lage ist, bereits bestehende Ablagerungen in kürzester Zeit aufzulösen und dadurch funktionsuntüchtig gewordene Entwässerungssysteme ohne aufwendige Sanierungsarbeiten wieder instand zu stellen. Daneben wird natürlich gleichzeitig auch die Bildung neuer Ablagerungen im primären und sekundären Entwässerungssystem verhindert.

Claims (21)

1. Verfahren zur Konditionierung von Bergwasser in einem Tunnelentwässerungssystem zur Auflösung von Ablagerungen oder zur Verhinderung der Bildung von neuen Ablagerungen mit einem Konditionierungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass ein Konditionierungsmittel mit einem wirksamen Gehalt an Milchsäure zugegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionierungsmittel die Bildung von neuen Ablagerungen verhindert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Konditionierungsmittel mit einem Gehalt an Milchsäure zwischen 0,5 und 50 000 g/m<3> an zu konditionierendem Bergwasser verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Konditionierungsmittel Milchsäure allein oder im Gemisch mit anderen Konditionierungsmitteln zugegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Konditionierungsmittel neben Milchsäure Härtestabilisatoren ausgewählt aus der Gruppe: anorganische kondensierte Phosphate, Organophosphonsäuren, Phosphatester, Polyphosphorsäureester, Aminophosphate, Bernsteinsäureamid, Kohlehydrate, Polysaccharide, Glukonate, Polyglycoside, Polyglucoside und deren Derivate, Polyoxycarbonsäuren sowie deren Copolymere, oxidierte Kohlenhydrate, Proteine, wasserlösliche Polyaminosäuren, Silikate oder Zeolithe, oder Mischungen dieser Komponenten, eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Konditionierungsmittel zusätzlich Dispergatoren ausgewählt aus der Gruppe: Tanninderivate, Ligninsulfonate, sulfonierte Kondensationsprodukte des Naphthalins mit Formaldehyd, Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyacrylamide, Polymerisate auf Acrylatbasis, P-haltige polymere Verbindungen, phosphinsäure-haltige Homo- und Copolymere von Acrylsäure und Acrylamid, oligomere Phosphinico-Bernsteinsäure-Verbindungen, sulfomethylierte oder sulfoethylierte Polyacrylamide und Copolymere bzw.

Terpolymere mit Acrylsäure und Maleinsäureester, N-Butylacrylamid und dessen Copolymere, Acrylamidopropionsulfonsäure als Salz und deren Copolymere, Maleinsäure- oder Maleinsäureanhydrid-Polymere und Copolymere, phosphinoalkylierte Acrylamidpolymere und Copolymere mit Acrylsäure, Copolymere von Alkenen mit ungesättigten Dicarbonsäuren, oder Mischungen dieser Komponenten, eingesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Konditionierungsmittel Komplexbildner ausgewählt aus der Gruppe: Iminodisuccinat, Nitrilotriessigsäure, Zitronensäure, EDTA, Ethercarboxylate, oxidierte Kohlenhydrate oder phosphorhaltige Verbindungen, oder Mischungen dieser Komponenten, eingesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionierungsmittel weitere Zusätze enthält, bevorzugtermassen Biozide.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionierungsmittel in flüssiger/wässriger Form mittels einer Dosieranlage oder des Rückführungssystems oder in fester Form mittels Depotsteinen dem primären und/oder sekundären Bauwerksentwässerungssystem zugegeben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Konditionierungsmittels mittels einer Dosieranlage über eine Einspeisleitung unter Ausnutzung des natürlichen Gefälles des Tunnels in das primäre oder sekundäre Entwässerungssystem erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Konditionierungsmittels mittels eines Rückführungssystems mit Tauchpumpe und Schlauchleitung mit mehreren Zugabeöffnungen in das primäre Tunnelentwässerungssystem erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Konditionierungsmittels unter Verwendung von Depotsteinen, die einen wirksamen Anteil an Polysuccinimid enthalten, in das primäre und/oder sekundäre Bauwerksentwässerungssystem erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabemenge des Konditionierungsmittels in Abhängigkeit von der am Ende des Tunnelentwässerungssystems anfallenden Wassermenge gesteuert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Zugabe des Konditionierungsmittels die Auflösung bereits bestehender Kalkablagerungen bewirkt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Konditionierungsmittel ausschliesslich eine im Wesentlichen 80-95%ige wässrige Lösung von Milchsäure, bevorzugt in technischer Qualität, verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass als Konditionierungsmittel eine Mischung von Milchsäure und Polyasparaginsäure eingesetzt wird, bevorzugtermassen als Mischung von 1-10, bevorzugt 1-3, Volumen-Anteilen einer im Wesentlichen 80-95%igen wässrigen Lösung von Milchsäure und 10-1, bevorzugt 1-3, Volumen-Anteilen einer im Wesentlichen 30-50%igen, bevorzugt ca. 40%igen wässrigen Lösung von Polyasparaginsäure.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Konditionierungsmittel die Auflösung bereits bestehender Kalkablagerungen und gleichzeitig die Bildung neuer Kalkablagerungen bewirkt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Konditionierungsmittel ausschliesslich L(+)Milchsäure verwendet wird.

19. Depotstein zur Einbringung eines Konditionierungsmittels in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 in das primäre und/oder sekundäre Bauwerksentwässerungssystem in fester Form, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionierungsmittel einen wirksamen Gehalt an Milchsäure enthält.

20. Depotstein nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Milchsäure als L(+)Milchsäure, bevorzugt entweder im Wesentlichen allein oder in Mischung mit Polyasparaginsäure, vorliegt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das zu behandelnde Bergwasser einen pH-Wert über 9 aufweist und/oder einzelne Zuflüsse zum zu behandelnden Bergwasser pH-Werte über 10 aufweisen.